【《电机转速测量系统的软件设计案例》4300字】

电机转速测量系统的软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u26965电机转速测量系统的软件设计案例 170991.1软件选用 126481.1.1虚拟仪器概述 1165171.1.2LabVIEW介绍 275811.2软件设计流程 4139281.3程序后面板设计 538381.1.1信号输入部分 5170971.1.2滤波部分 5152201.1.3频率信号得出以及频谱测量部分 7284761.1.4完整程序框图 10114561.4程序前面板设计 1148811.4.1运行程序 111.1软件选用1.1.1虚拟仪器概述仪器，是当今社会上不可或缺的基本工具，仪器随着信息时代的到来慢慢地与计算机相密切结合。现今这种结合共有两种方式：智能化仪器与虚拟仪器。智能化仪器是在仪器中嵌入计算机，使其拥有强大的计算分析功能。虚拟仪器便是将仪器放入计算机，以计算机的操作系统与硬件功能作为载体，实现传统仪器所能实现的功能。虚拟仪器充分地利用了计算机的资源，甚至可以实现那些在传统仪器上所不能实现的功能。独立的传统仪器，虽然功能齐全，但是价格昂贵，且功能单一，只能完成特定的测量，并没有较强的自定义与扩充功能。而且传统仪器更新换代快，不利于用户长久使用，更新。虚拟仪器（virtualinstrument）利用了模块化硬件，结合计算机配置的软件进行各种自动化的应用。软件部分能够使用户轻松地自定义想要的界面，硬件部分，模块化的硬件能够轻松地提供系统化的集成。计算机运行的程序也能够精准地为用户提供定时与同步化的需求，这便是虚拟仪器能够在行业中脱颖而出的原因，它拥有易操作的软件，模块化的硬件以及能够集成软硬件的平台，完全发挥出了所有的优势。优势1：性能强其技术是由PC的基础上发展而来的，虚拟仪器拥有PC中优秀的处理器与文件I/O，可以在数据导入磁盘中的同时进行复杂计算，因特网的发展与计算机硬件的不断革新也使虚拟仪器展现出越来越强的优势。优势2：扩展性强在虚拟仪器中，由于软件的灵活性，用户只需要更新自己的计算机软件，便可以改进扩展整个虚拟仪器系统。便可以利用最新科技的同时，将现有的测量设备完成任务的测量。优势3：开发时间短虚拟仪器高效地将计算机、仪表与硬件结合在一起，形成一个完整的构架，更加方便了用户的操作，并且提供了强大的灵活性与操作功能。极大地缩短了用户解决各种测量要求的时间。优势4：无缝集成虚拟仪器本质上来说是一种将软件与硬件集成的概念。随着时代的发展，各种行业中产品的功能也不断地增加，趋于复杂。虚拟仪器在软件平台上为各种设备提供了标准的接口，方便用户将多个不同的设备集成到一个独立的系统中，极大地减少了程序的复杂程度。虚拟仪器的发展现状虚拟仪器是利用模块化的硬件与易于升级的软件来完成测量、自动化的应用。现今，虚拟仪器已经被各种测试行业、自动化行业、生产领域进行广泛地使用。虚拟仪器利用了发展迅速的PC产业，高性能的数据转换器，以及PC系统的设计软件，提升了巨大的技术能力以及能够降低极大的成本。随着PC软件系统的不断更新换代，虚拟仪器技术也迅速地发展，实现了越来越多的功能。虚拟仪器的各种功能越来越强大，即已经能够在PC上开发测试程序，在嵌入式处理器和现场可编程门阵列上设计硬件功能。为用户在设计和测试系统上提供了一个独立的环境。因而虚拟仪器在替代传统仪器的功能上发挥着重要的作用，应用领域会越来越广泛，是未来仪器发展的主流方向。1.1.2LabVIEW介绍LabVIEW是一种虚拟仪器程序开发环境，由美国国家仪器公司（NationalInstrument）开发，与C语言和BASIC等计算机语言区别的是，LabVIEW语言使用的是G语言（图形化编辑语言）编写程序，产生的即为程序框图。LabVIEW是虚拟仪器（NI）设计平台的核心部分，是用户使用虚拟仪器开发测控系统的绝佳选择。与C语言和BASIC相同，LabVIEW使用的也是通用编程系统，有个完成编程任务的函数库，包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及储存等，便于程序的修改调试。LabVIEW是通过图标以此代替文本创建工程的图形编程语言，与传统编程语言不同的是，LabVIEW采用了数据流编程的方式，程序框图中节点之间的先后顺序决定了VI之间函数的执行顺序。而传统编程语言则使用的是语句与指令的先后来决定程序的优先顺序。在LabVIEW中，系统提供了很多在外观上与传统测量仪器类似的控件，这样用户能够更为便捷地创建自己熟悉的用户界面，这在LabVIEW中被称为前面板。在后面板中，用户通过自己编译的程序来对前面板的控件进行控制，这些使用图标与连线的代码被称为图形化代码（G代码），由于G代码在视觉上类似于流程图，因而又被称为程序框图。LabVIEW的特点：LabVIEW在硬件上尽量采用了通用的产品，仪器之间的差异主要是软件。由于LabVIEW摆脱了硬件的束缚，主要在PC上进行使用，所以有着强大的数据处理能力，能够创造出功能更加先进的仪器。LabVIEW有着强大的自定义能力，能够根据用户的需求，随心定义制造自己需要的仪器。图形化程序语言（G语言），该语言尽量利用了技术人员、工程师等所熟知的图标、概念，便于开发。因此，这是一个面向广大用户的编程软件，LabVIEW可以增强用户构建小型仪器或是大型工程系统的能力，提供仪器编程和数据测试系统的捷径，而不用面对冗长的传统代码。使用该软件进行编译程序或测试仪器系统时，可以极大地提高用户的工作效率。LabVIEW最大的优势之一在于其能够在同一个硬件的情况下，仅仅通过软件编程的改变，就能够实现不同仪器仪表的功能。相当于LabVIEW的软件是主体部分，硬件只是支持其工作的外壳。LabVIEW的应用领域测试测量：LabVIEW在最初便是为了测试测量而设计的，所以测试测量便是LabVIEW最广泛的应用领域。经过多年的发展与检验，LabVIEW在测试测量领域内获得了广泛的认可。至今，大部分的测试仪器与DAQ设备均拥有自己的LabVIEW驱动程序，当使用LabVIEW时能够便捷地控制。同时用户可以在控件选择模块内找到几乎所有关于测试测量的工具包，能够包含几乎所有用户所需求的功能。控制：在完成对机器的测试测量后，接下来一步便是控制，LabVIEW自然将软件拓展至控制领域。其拥有专门的控制模块：LabVIEWDSC。在各种控制领域中，常用的设备几乎都拥有相应的控制程序，使LabVIEW能够便捷地对其取得控制。仿真：在设计大型工程项目时，可以使用LabVIEW进行仿真运行，找到设计中的漏洞，验证其合理性，找到潜在的问题。在教育领域，教师可以让学生使用LabVIEW仿真模拟，使学生获得实践的机会。快速开发：当设计师的开发项目时间较为紧张时，可使用LabVIEW进行开发，由于其较少的代码编写，较为直观的视觉编程，能够使开发时间大大缩短。1.2软件设计流程软件编程部分流程图图3-1软件设计流程图1.3程序后面板设计1.1.1信号输入部分图3-2模拟信号输入使用NIELVISIII工程文件中controlIO中的analoginput作为模拟量信号输入，在控件中选择光电传感器与磁电传感器在面包板上接入的I/O接口。例如光电传感器接入了AI0接口，则在控件中选择AIO接口，并将采样方式改成n采样（NSamples）。改成n采样的原因是这样能够采样出连续的模拟信号，而不是单一的、一个时间点的信号。通过创建数组将模拟量转换为数组信号输出，便于之后的图像显示。移位寄存器的作用是在这个while循环中每次循环结束后存储之前的数据，使数据不断累加，从而得出连续的信号。1.1.2滤波部分图3-3滤波部分这个部分是使波形达到大致稳定的一个重要的部分。在本次设计中，加入了3种滤波方式：低通滤波、通带滤波与高通滤波。三种滤波方式的区别如下：低通滤波：输入的波形信号中，只有低频信号能够顺利通过，高于设置的截止频率的信号则会被削弱、阻断。设置的截止频率则根据不同设计的需要来进行调整。低通滤波能够使波形图像进行降噪，平滑处理带通滤波：带通滤波是允许特定范围内的频率进入，而范围之外的所有频率都衰减至极低值的滤波方式，该滤波方式也可以用低通滤波与高通滤波组合而成。高通滤波：高通滤波允许设置的高频信号能够通过，而阻拦低于临界值的低频信号。阻拦信号的强弱程度可以依据不同程序的运作目的而进行改变，因此该滤波也被成为低频去除滤波，与低通滤波相反。设计中选择的三种截止频率：图3-4滤波器配置在设计滤波器截止频率时，将截止频率分为3段:≤120Hz对应低通滤波，120-400Hz对应通带滤波，≥400Hz对应高通滤波。选择是依据测量从3V电压至10V电压中频率的最小与最大值。在电压为3V时，电机输出频率约为63Hz，此时对应低通滤波；在电压为10v时，电机输出频率约为225Hz，对应通带滤波。由于测量使用的电机可承受电压范围为2-12V，无法成为市面上主流电机的参考，所以本设计还增加了≥400Hz的高通滤波来对高频信号进行过滤。通过三种滤波器的滤波，能够得到滤波后的转速波形以进行后续的波形分析。1.1.3频率信号得出以及频谱测量部分图3-5信号分析部分该部分为信号分析以及频率、转速得出部分。得到滤波后的波形之后，先将波形进行频谱测量。使用LabVIEW控件中的频谱测量控件，双击该控件，得到频谱测量的配置窗口在所选测量中有幅度（均方根）、幅度（峰值）的选项。幅度（均方根）：测量信号频谱，以均方根（RMS）的形式显示结果。如正弦波的有效值是其峰值的0.707倍，则可在正弦波的各个频率上产生0.707倍的幅值。方波则可在各个频率上产生1倍的幅值。幅度（峰值）：测量信号频谱，以峰值的形式显示结果。即若正弦波的的幅值为A，则可在正弦波相应频率上的位置产生相同的幅值A，且为图像的峰值处。由于本次设计需要测量不同种类的波形，即光电传感器输出波形与磁电传感器输出的波形，所以为了能够清晰地看出不同电压下的频率，以及信号干扰的情况，选择幅度（峰值）的测量方式。图3-6频谱测量配置在进行频谱测量之后，由于无法直接在图像中提取出准确的频率数值，所以使用单频测量提取出信号中的频率部分，以便进行之后的转速计算。图3-7单频测量配置转速计算：计算电机转速公式为：n=60×f式1-1中：n为电机转速，单位：转/分（rpm）f为电机运行频率，单位：赫兹（Hz）p为电机磁极对数（pair），单位：对（p）电机运行频率由单频测量信号得出，电机磁极对数则是指电机转子永磁体N,S的对数。电机转子旋转一周，即电机中的电流变化一个周期，电机中的磁场也随之在空间中旋转180度。图3-8实验用电机如图可见，测量使用的电机拥有12个N,S磁极，则总共有6对磁极对数，p=6。所以该电机的转速为n=60×f6，即转速是电机转速频率的10倍。由于输入控件analoginput在选择信号输入时，默认单位为1000Hz，所以转速需要在原有的基础上乘以103图中计时器的部分为“等待整数倍毫秒”，在此设置为50。意为每50毫秒对该电机转速信号进行一次测量，测量结果在频谱分析中进行分析。7在最外层布置一个while循环，则无限循环此步骤，直到结束进程。1.1.4完整程序框图图3-9程序后面板框图中第一个移位寄存器中的数据为光